形成超聲匹配層的方法及超聲換能器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供形成超聲匹配層的方法及超聲換能器。一種形成超聲匹配層的示例性方法包括以下步驟：(a)提供一個(gè)聲陣列換能器堆，其包括一個(gè)壓電層并具有一個(gè)頂面和多個(gè)陣列元件，其中所述頂面包括多個(gè)未布置在所述多個(gè)陣列元件上的隔離物；(b)提供一個(gè)透鏡組件，其具有頂面和底面；(c)將所述透鏡組件的底面與多個(gè)隔離物相接觸；(d)將換能器堆的頂面與透鏡組件的底面之間的粘合劑熟化，以形成超聲匹配層，其中所述粘合劑結(jié)合至透鏡組件的底面和換能器堆的頂面，由所述多個(gè)隔離物產(chǎn)生的在所述換能器堆的頂面和所述透鏡組件的底面之間的距離適合一個(gè)超聲匹配層。
【專利說(shuō)明】形成超聲匹配層的方法及超聲換能器
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年9月18日、名稱為“用于制造超聲換能器和其他部件的方法”的第200980145902.1號(hào)發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003]本申請(qǐng)要求享有共同于2008年9月19日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/192，661和N0.61/192,690的利益，所述兩個(gè)申請(qǐng)都通過(guò)引用方式在此納入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及制造電子部件諸如超聲換能器的領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]總體而言，本發(fā)明提供用于制造電子部件諸如陣列超聲換能器的方法。
[0006]一方面，本發(fā)明在于一種制造呈一個(gè)圖案的電極的方法，所述方法包括如下步驟:提供一個(gè)電氣部件，其包括多個(gè)第一電極；將包括多個(gè)第二電極的連接器放置在所述電氣部件附近；將包括基質(zhì)材料和顆粒材料的復(fù)合介質(zhì)材料沉積在所述多個(gè)第一電極和所述多個(gè)第二電極上，其中所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低能量密度下被激光燒蝕；將所述復(fù)合介質(zhì)材料的至少一部分激光燒蝕以去除基質(zhì)材料并增加所述復(fù)合介質(zhì)材料的表面積；將所述復(fù)合介質(zhì)材料激光燒蝕以暴露所述多個(gè)第一電極和所述多個(gè)第二電極；以及在所述復(fù)合介質(zhì)材料中從所述多個(gè)第一電極中的每一個(gè)電極到所述多個(gè)第二電極中的相應(yīng)電極激光燒蝕一個(gè)溝；在已經(jīng)被燒蝕的區(qū)域上沉積導(dǎo)電金屬；在所述導(dǎo)電金屬上沉積抗蝕劑，其中與其他燒蝕區(qū)域相比，所述抗蝕劑在所述多個(gè)第一電極、多個(gè)第二電極以及所述溝上更厚；以及去除所述抗蝕劑的一部分使得以呈一個(gè)負(fù)的圖案來(lái)暴露所述導(dǎo)電金屬并蝕刻所述導(dǎo)電金屬的暴露部分以制造呈所述圖案的電極。本方法還可包括將經(jīng)過(guò)蝕刻的導(dǎo)電金屬區(qū)域進(jìn)行激光燒蝕，以去除位于其中的至少一部分所述復(fù)合介質(zhì)材料。在該可選步驟中，基本上所有的所述復(fù)合介質(zhì)材料和位于經(jīng)過(guò)蝕刻的導(dǎo)電金屬區(qū)域下方的部件的一部分可被燒蝕。
[0007]在一個(gè)相關(guān)方面，本發(fā)明在于一種用于制造呈一個(gè)圖案的電極的方法，所述方法包括以下步驟:提供一個(gè)超聲陣列換能器堆，所述堆具有一個(gè)壓電層和在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，其中所述多個(gè)第一切口槽限定多個(gè)超聲陣列元件；將具有用于多個(gè)陣列元件中的每一個(gè)陣列元件的電連接的連接器放置在所述堆的附近；在所述堆的底面以及所述連接器的一部分上沉積包括基質(zhì)材料和顆粒材料的復(fù)合介質(zhì)材料，其中所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低能量密度下被激光燒蝕；將所述復(fù)合介質(zhì)材料的至少一部分激光燒蝕以去除基質(zhì)材料并增加所述復(fù)合介質(zhì)材料的表面積；將所述復(fù)合介質(zhì)材料激光燒蝕以暴露所述多個(gè)陣列元件；以及在所述復(fù)合介質(zhì)材料中從每個(gè)陣列元件到連接器中的一個(gè)電連接激光燒蝕一個(gè)溝，其中所述燒蝕不暴露所述多個(gè)第一切口槽；在步驟已經(jīng)燒蝕的區(qū)域上沉積導(dǎo)電金屬；在所述導(dǎo)電金屬上沉積抗蝕劑，其中與所述多個(gè)第一切口槽相t匕，在每個(gè)陣列元件和溝上的抗蝕劑更厚；以及去除所述抗蝕劑的一部分使得以呈一個(gè)相對(duì)所述電極的圖案為負(fù)的圖案來(lái)暴露所述導(dǎo)電金屬的一部分，以及蝕刻所述導(dǎo)電金屬的暴露部分以制造呈所述圖案的電極。本方法還可包括將經(jīng)過(guò)蝕刻的導(dǎo)電金屬區(qū)域進(jìn)行激光燒蝕，以去除在所述多個(gè)第一切口槽上的所述復(fù)合介質(zhì)材料從而在單個(gè)陣列元件之間形成凹陷。在這個(gè)實(shí)施方案中，所述第一切口槽可被固體材料諸如環(huán)氧樹脂填充。本方法還可包括對(duì)單個(gè)陣列元件之間的凹陷進(jìn)行激光燒蝕，其中接下來(lái)對(duì)凹陷的燒蝕在相比于制造凹陷所用的能量密更高的能量密度下進(jìn)行。本方法還可包括從圖案化后的電極去除所述抗蝕劑。本方法可包括又一個(gè)蝕刻步驟以去除由激光燒蝕形成的導(dǎo)電金屬毛刺。優(yōu)選的，沒有步驟在高于70°C時(shí)進(jìn)行。本方法還可包括在沉積導(dǎo)電金屬一例如，金一之前沉積一個(gè)粘合劑層——例如，包括鉻的粘合劑層。所述蝕刻步驟可去除沉積在粘合劑層上的導(dǎo)電金屬，同時(shí)對(duì)所述復(fù)合材料的激光燒蝕還可去除通過(guò)蝕刻暴露的粘合劑層。優(yōu)選地，在不足以燒蝕所述導(dǎo)電金屬的能量密度下通過(guò)燒蝕去除所述抗蝕劑。所述多個(gè)陣列元件的間距優(yōu)選至多100 μ m,例如,至多65 μ m。在所述復(fù)合介質(zhì)材料中的示例基質(zhì)材料是環(huán)氧樹脂,示例顆粒材料是二氧化硅或碳化硅。
[0008]本發(fā)明還在于通過(guò)上述方法制造的超聲換能器。該換能器包括一個(gè)陣列換能器堆，其具有在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，并且其中所述多個(gè)第一切口槽限定多個(gè)超聲陣列元件；連接器，其具有用于每個(gè)陣列元件的一個(gè)電極；以及包括位于所述堆的底面以及所述連接器的一部分上的基質(zhì)材料和顆粒材料的復(fù)合介質(zhì)材料，其中所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低能量密度下被激光燒蝕，其中所述復(fù)合介質(zhì)材料被放置在所述堆的底面以及所述連接器的一部分上面；其中在所述復(fù)合介質(zhì)材料中的溝將每個(gè)陣列元件連接至所述連接器的電極中的一個(gè)；并且其中在每個(gè)溝內(nèi)沉積的金屬提供在每個(gè)活性元件和連接器的電極中的一個(gè)電極之間的電連接。可選地，所述多個(gè)第一切口槽被固體材料填充，以及所述堆的底面包括在所述固體材料中的凹陷。所述換能器還可包括布置在所述復(fù)合介質(zhì)材料、所述溝和每個(gè)陣列元件的至少一部分上的背襯層(backing layer)。所述換能器還可包括附著至所述堆的頂面的匹配層，和/或附著至所述堆的頂面的透鏡。所述陣列元件一般在至少20MHz的中心頻率下運(yùn)行。所述復(fù)合介質(zhì)層還可傾斜相鄰于所述陣列元件中的每一個(gè)，以提供變跡(apodization)并抑制高度上的旁瓣(side lobes)。所述換能器還可包括限定在所述壓電堆中的多個(gè)第二切口槽，每個(gè)第二切口槽在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度，其中每個(gè)第二切口槽相鄰于至少一個(gè)第一切口槽，并且所述多個(gè)第二切口槽限定多個(gè)陣列子元件。
[0009]另一方面，本發(fā)明在于一種形成超聲匹配層的方法，所述方法包括以下步驟:提供一個(gè)聲陣列換能器堆，其包括一個(gè)壓電層并具有一個(gè)頂面和多個(gè)陣列元件，其中所述頂面包括多個(gè)未布置在所述多個(gè)陣列元件上的隔離物；提供一個(gè)透鏡組件，其具有頂面和底面；將所述透鏡組件的底面與多個(gè)隔離物相接觸；以及將換能器堆的頂面與透鏡組件的底面之間的粘合劑熟化，以形成超聲匹配層，其中所述粘合劑結(jié)合至透鏡組件的底面和換能器堆的頂面，由所述多個(gè)隔離物產(chǎn)生的在所述換能器堆的頂面和所述透鏡組件的底面之間的距離適合一個(gè)超聲匹配層。所述透鏡組件可包括一個(gè)透鏡一其例如，由Rexolite或TPX制備一和形成組件的底面的第二匹配層一其例如，包括氰基丙烯酸鹽粘合劑。所述第二匹配層可直接附著至透鏡。所述換能器堆還可包括在堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，并且其中所述多個(gè)第一切口槽限定多個(gè)陣列元件。所述換能器堆還可包括布置在所述壓電層和所產(chǎn)生的匹配層之間的第三和第四匹配層。
[0010]在一個(gè)相關(guān)方面，本發(fā)明在于一種超聲換能器，其包括具有頂面和底面的透鏡組件；具有頂面和底面的陣列換能器堆；以及一個(gè)匹配層，其附著至所述透鏡組件的底面和所述換能器堆的頂面，其中所述換能器堆包括一個(gè)壓電層和多個(gè)陣列元件，所述換能器堆的頂面包括多個(gè)未放置在所述多個(gè)陣列元件上面的隔離物，并且所述透鏡組件的底面與所述多個(gè)隔離物相接觸。所述換能器堆還可包括在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，并且其中所述多個(gè)第一切口槽限定多個(gè)陣列元件；以及可選地在壓電堆內(nèi)限定的多個(gè)第二切口槽，每個(gè)第二切口槽在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度，其中每個(gè)第二切口槽相鄰于至少一個(gè)第一切口槽，以及所述多個(gè)第二切口槽限定多個(gè)陣列子元件。所述透鏡組件可包括一個(gè)透鏡一其例如，由Rexolite或TPX制備——和形成組件的底面的第二匹配層——其例如，包括氰基丙烯酸鹽粘合劑。所述第二匹配層可直接附著至透鏡。所述換能器堆還可包括布置在所述壓電層和附著至所述透鏡組件的底面的匹配層之間的第三匹配層和第四匹配層。所述陣列元件優(yōu)選在至少20MHz的中心頻率下運(yùn)行。所述換能器還可包括對(duì)于每個(gè)陣列元件有一個(gè)電極的連接器，以及包括位于所述堆的底面以及所述連接器的一部分上的基質(zhì)材料和顆粒材料的復(fù)合介質(zhì)材料，其中所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低能量密度下被激光燒蝕，其中所述復(fù)合介質(zhì)材料被放置在所述堆的底面以及所述連接器的一部分上面；其中所述復(fù)合介質(zhì)材料中的溝將每個(gè)陣列元件與所述連接器的電極中的一個(gè)電極相連接；并且其中在每個(gè)溝內(nèi)沉積的金屬提供在每個(gè)活性元件和所述連接器的電極中的一個(gè)電極之間的電連接。
[0011]另一方面,本發(fā)明在于一種在表面上沉積材料-例如，金屬或粘合劑-的方
法，所述方法包括以下步驟:提供包括基質(zhì)材料(例如，聚合物諸如環(huán)氧樹脂)和顆粒材料(例如，二氧化硅或碳化硅)的復(fù)合介質(zhì)襯底；在足以將所述基質(zhì)材料而非顆粒材料燒蝕的能量密度下激光燒蝕復(fù)合襯底的表面，以形成具有比所述復(fù)合襯底的表面更大面積的燒蝕面；以及將所述材料沉積在所述燒蝕面上，其中將所述材料粘合至燒蝕襯底的強(qiáng)度大于將所述材料粘合至未燒蝕襯底的強(qiáng)度。用于沉積的示例金屬是金，本方法還可包括在沉積金之前施加粘合劑層。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將在下面的說(shuō)明中部分給出，部分將從本說(shuō)明中顯然可見，或者可通過(guò)實(shí)踐本發(fā)明了解到。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將借助于在所附權(quán)利要求中具體給出的元件和組合被實(shí)現(xiàn)和獲得。應(yīng)理解的是，正如已聲明的，上述的概括說(shuō)明和下面的詳細(xì)說(shuō)明都僅是示例性和解釋性的，不意在限制本發(fā)明。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是一個(gè)舉例示意的壓電堆的橫截面圖(未按比例示出)，示出了:PZT層；地電極層，其安裝至PZT層的頂面的一部分并且向外延伸超出PZT層的縱向邊緣；第一和第二匹配層，其安裝在地電極層的頂面的一部分上；透鏡；第四匹配層，其安裝至透鏡的底面;第三匹配層，其安裝至第二匹配層的頂面和第四匹配層的底部的一部分；以及介質(zhì)層，其位于換能器的非活性區(qū)域下方。還示出了形成在地電極層的頂表面上的多個(gè)隔離物，所述隔離物相對(duì)于PZT層的頂面向上延伸預(yù)定距離，使得第四匹配層的底面可位于相對(duì)于PZT層和居間的第一和第二匹配層的預(yù)期距離處。[0014]圖2是一個(gè)示例透鏡的示意性橫截面圖(未按比例示出)。
[0015]圖3是圖1的PZT堆的示例橫截面圖，示出了換能器的活性區(qū)域和非活性區(qū)域。
[0016]圖4是被示為安裝至支持構(gòu)件的完整的PZT堆的橫截面圖，并且示出了背襯層和介質(zhì)層。所述信號(hào)電極(該信號(hào)電極未在此處示出，但是其覆蓋了陣列元件和相應(yīng)柔性電路之間的介質(zhì)層的一些部分)可操作地將柔性電路結(jié)合至PZT堆中限定的具體陣列元件，地電極電結(jié)合至相應(yīng)的柔性電路的地。
[0017]圖5是PZT堆的頂部的俯視圖，其中所示的匹配層I和2相附著。
[0018]圖6是PZT堆的頂部的俯視圖，其中一個(gè)銅箔使用導(dǎo)電粘合劑安裝至該P(yáng)ZT堆。盡管所示的箔片延伸超過(guò)PZT堆的方位長(zhǎng)度，但這兩個(gè)末端薄片最終會(huì)在接下來(lái)的制造步驟中被去除。
[0019]圖7是圖6的PZT堆的頂部的俯視圖，其中所述銅箔的末端薄片已被去除。
[0020]圖8是安裝有透鏡的PZT堆的頂部的俯視圖。
[0021]圖9是PZT堆的頂部的俯視圖，其將透鏡示為透明層以便觀察下方的層的校準(zhǔn)，以及所述銅箔、隔離物以及透鏡的曲率半徑的相對(duì)校準(zhǔn)和定位。
[0022]圖10是在PZT堆已被磨合(lap)以實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)厚度之后、且即將與柔性電路集成以形成陣列組件的PZT堆的示意性橫截面圖。在本實(shí)施方案中，所述堆的其余層在以后被完成。
[0023]圖11是將被機(jī)械加工進(jìn)PZT堆的示例切口圖案的示意圖。在這方面，較長(zhǎng)的線代表在陣列元件之間的第一切口槽，較短的線代表第二切口槽，即，子方塊(sub-dice)切口。
[0024]圖12A和12B是用于供圖10的PZT堆使用的支持構(gòu)件的示意性俯視圖和立體圖，示出第一縱向延伸的側(cè)邊緣部分和相對(duì)的第二縱向延伸的側(cè)邊緣部分，每個(gè)側(cè)邊緣部分具有各自的內(nèi)表面和相對(duì)的外表面，其中第一和第二縱向延伸的側(cè)邊緣部分的各自內(nèi)表面的一部分被配置如下，使得電路板一一諸如，例如但不意在限制，柔性電路板——的遠(yuǎn)端部分可與其連接，其中所述支持構(gòu)件在各自的第一和第二縱向延伸的側(cè)邊緣部分之間具有一個(gè)中間部分，該中間部分限定了一個(gè)居于中心的、縱向延伸的開口，其中圖10的PZT堆被配置安裝在支持構(gòu)件的中間部分的一部分上。
[0025]圖13是被示為粘合至圖10的PZT堆的圖12A和12B的支持構(gòu)件的示意性橫截面圖。
[0026]圖14是具有PZT堆固定安裝于其中的支持構(gòu)件的示意性仰視圖，示出了被激光切割進(jìn)支持結(jié)構(gòu)、并且相對(duì)于各自的陣列切口布置的柔性校準(zhǔn)特征(feature)。一方面，右側(cè)的柔性校準(zhǔn)特征相對(duì)于左側(cè)的特征偏離如下一段距離，該距離基本等于陣列的間距(pitch)。還示出了一個(gè)放大的俯視圖。
[0027]圖15是具有PZT堆固定安裝于其中的支持構(gòu)件的示意性仰視圖，示出了柔性電路對(duì)相對(duì)于陣列切口校準(zhǔn)的情況。紅色條紋代表在柔性電路的頂側(cè)上的銅跡線。
[0028]圖16是以芯片方式被接合(be die attached to)至兩個(gè)柔性電路之后的PZT堆的示意性橫截面圖。
[0029]圖17是示出施加的介質(zhì)層的示意性橫截面圖。
[0030]圖18是所完成的介質(zhì)層的示意性橫截面圖。在這方面，介質(zhì)層限定了陣列的高度尺寸并且在實(shí)現(xiàn)信號(hào)電極的沉積方面提供了從柔性電路到所述堆的平滑過(guò)渡面。[0031]圖19是信號(hào)電極層的信號(hào)電極圖案的示意圖。在本示例中，橙色條紋代表已被去除的電極，紅色條紋代表每個(gè)相應(yīng)柔性電路的引線框(leadframe)。在本示意圖中，示出了在每個(gè)柔性電路上方和下方的附加電極圖案。
[0032]圖20是對(duì)于示例256元件換能器的全信號(hào)電極圖案的示意圖。青色方框限定了PZT堆的活性區(qū)域,粉色方框限定了總括信號(hào)電極(blanket signal electrode)的周界。激光修整(橙色)延伸超過(guò)Au周界，使得每個(gè)信號(hào)電極都被絕緣。
[0033]圖21是示出應(yīng)用背襯材料的示意性橫截面圖。
[0034]圖22k和22B是在沉積信號(hào)電極圖案之前，安裝在支持構(gòu)件上的陣列組件的示意性橫截面圖。圖22k代表在將柔性電路進(jìn)行接地之前的陣列組件，圖22B代表了進(jìn)行接地使得完成信號(hào)回路之后的陣列組件。
[0035]圖23是示出連接至示例PZT堆的一對(duì)柔性電路的示意圖。在一個(gè)示例實(shí)施方案中，示出了組件的引腳I (即，元件1)，其連接至陣列組件左側(cè)的柔性電路。在本非限制性實(shí)施例中，陣列組件左側(cè)的柔性電路連接至奇數(shù)元件，陣列組件右側(cè)的柔性電路連接至偶數(shù)元件。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明在于用于制造電氣部件諸如超聲換能器的方法。具體而言，本發(fā)明提供了在表面上沉積材料諸如金屬的方法；圖案化電極的方法，例如在將超聲換能器連接至電路的部件方面；以及為超聲換能器制造集成匹配層的方法。本發(fā)明還在于由此處描述的方法制造的超聲換能器。
[0037]沉積材料
[0038]本發(fā)明提供了用于使材料附著至表面——例如金屬薄膜或諸如環(huán)氧樹脂的粘合劑——的改進(jìn)方法。本方法還涉及使用復(fù)合材料的襯底。所述復(fù)合材料包括基質(zhì)材料和顆粒材料，所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低激光能量密度下被燒蝕。當(dāng)該襯底在合適能量密度下燒蝕時(shí)，基質(zhì)材料被去除，但是顆粒材料得到保留，除非包圍所述顆粒的所有基質(zhì)材料都被去除。該方法得到的是，一個(gè)由基質(zhì)和部分暴露的顆粒材料相結(jié)合形成的高度三維的表面。相比于未燒蝕的表面，該新形態(tài)的表面區(qū)域極大地增加。然后將材料諸如金屬或粘合劑沉積到燒蝕后的表面上，由于燒蝕形成的形態(tài)，粘附力增加。增加的粘附力優(yōu)選允許選定區(qū)域內(nèi)的材料稍后燒蝕，而不使未燒蝕區(qū)域中的材料分層。示例的基質(zhì)材料是聚合物諸如環(huán)氧樹脂，示例的顆粒材料是二氧化硅和碳化硅。用于沉積的示例金屬是金。如本領(lǐng)域所知的，對(duì)于某些金屬，諸如金，粘合層——例如包括鉻的粘合層也可被沉積。此處提供了本方法的條件和用途的實(shí)施例。
[0039]電極圖案化
[0040]本發(fā)明還提供了用于圖案化電極的方法。本方法可被用于將能夠耐得住鍍金屬法步驟(最高溫度約60°C-70°C之間)的任意電氣部件直接連接至柔性或其他電路板類型的部件。本方法可被用于沿X，Y和Z方向，于mm規(guī)模的路程上制造小于5 μ m的特征(feature)。
[0041]通常，本方法包括提供需要電極圖案化的電氣部件。所述部件被涂覆以材料，諸如上述的復(fù)合材料。該涂層被常規(guī)地?zé)g，并按照電極的預(yù)期圖案被選擇性去除。接下來(lái)將導(dǎo)電金屬層沉積在燒蝕后的表面上。然后將抗蝕劑應(yīng)用在金屬層上。因?yàn)樗鐾繉影凑针姌O圖案被去除，其中在涂層被去除處所施加的金屬被沉積在槽或溝中。這些槽或溝被注滿抗蝕劑，導(dǎo)致形成高出電極圖案的更厚的抗蝕劑層。接下來(lái)從不構(gòu)成電極圖案部分的區(qū)域中去除所述抗蝕劑，并蝕刻所述金屬。然后將這些區(qū)域中任何剩下的金屬和涂層燒蝕。最后，所述抗蝕劑可被去除，形成電極圖案。如此處更加詳細(xì)描述的，電氣部件的一部分一例如，換能器的切口槽中的填料——會(huì)被燒蝕以形成相對(duì)于圖案化電極的凹陷。接下來(lái)可使用在相對(duì)高能量密度下在這些凹陷中的燒蝕，以去除先前步驟后留下的無(wú)關(guān)金屬。所述凹陷保護(hù)圖案化電極免受燒蝕的副作用(其原本可能會(huì)導(dǎo)致分層)的影響。
[0042]本方法的一個(gè)示例用途在于制造與陣列超聲換能器的電連接。陣列的每個(gè)元件一般都連接至一個(gè)同軸電纜。在高頻(例如，20MHz及以上)時(shí)，構(gòu)成陣列的元件一般都太小且易損，因而不適于常規(guī)的引線接合法(其通常需要至少約75 μ m)。另外，引線接合法所需的熱聚集(thermal budgets)也會(huì)成為問題。對(duì)于高頻換能器,濕蝕刻也會(huì)無(wú)效,這是由于熱聚集而無(wú)法對(duì)抗蝕劑進(jìn)行硬烤(hard bake)，因?yàn)榭刮g劑會(huì)在去除金屬之前就融解。電極的激光燒蝕也會(huì)成問題，因?yàn)楸∧た杀蝗コ?，但是頻繁破裂，以及提供抗裂性的較厚膜(> 約6000埃)由于激光燒蝕中的金屬的濺射，傾向于短路。此外，燒蝕過(guò)程可能會(huì)造成電極的附帶損害。然而，本發(fā)明的方法可被用來(lái)制備與陣列的多個(gè)元件的多個(gè)電連接，所述陣列例如具有40 μ m或更小(例如，小于25 μ m)的間距,以及小到16 μ m寬的子元件(sub-element)。
[0043]可結(jié)合本發(fā)明用于燒蝕的激光器是短波激光器諸如KrF受激準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)(具有例如約248nm波長(zhǎng))或氟化氬激光器(具有例如約193nm波長(zhǎng))。另一方面，用于切割壓電層的激光器是短脈沖長(zhǎng)度激光器。例如，可以使用被修改為發(fā)射大約Ps到fs的短脈沖長(zhǎng)度的激光器?？墒褂镁哂写蠹s0-20J/cm2的能量密度范圍的KrF受激準(zhǔn)分子激光器系統(tǒng)(具有大約248nm波長(zhǎng)的UV光)?？稍诘陀谌コ龑?dǎo)電材料所需的能量密度下去除抗蝕劑(例如，小于0.8J/cm2)。當(dāng)希望如此處所述通過(guò)燒蝕來(lái)去除殘留的導(dǎo)電金屬、粘合層以及復(fù)合材料時(shí)，能量密度可在0 .8-1.0J/cm2之間。較高能量密度——例如，高達(dá)5J/cm2——下的燒蝕可被用來(lái)去除位于凹陷中的復(fù)合材料(以及位于其下的部分電氣部件)。
[0044]此處提供了本方法的條件和用途的進(jìn)一步實(shí)施例。
[0045]集成匹配層
[0046]本發(fā)明在于用于制造集成匹配層的方法。對(duì)于高頻應(yīng)用，用于聚焦超聲陣列的透鏡通常被制造為一個(gè)分立的部件，其必須附著至換能器。在高頻下，使用粘合劑附著透鏡很復(fù)雜，因?yàn)閷?duì)于20MHz，需要將任一粘合線減少至小于大約I μ m,對(duì)于較高頻，則需要減少至較薄。產(chǎn)生這樣的粘合線存在以下挑戰(zhàn):i)當(dāng)粘合劑中的基本球形的小空隙被擠平時(shí)，產(chǎn)生大空隙。這樣的空隙可能由任一個(gè)表面上的潮濕問題造成，或者由粘合劑中截留的小空隙造成。?)將粘合線擠壓成這樣的尺寸會(huì)干擾分子在粘合劑中的遷移率并降低性能。iii)為了將粘合線壓至合適尺寸，必須將位于粘合在一起的兩個(gè)部分之間的多余的粘合劑從中擠壓出。隨著粘合厚度減少，克服粘合劑內(nèi)的剪切力所需的力隨著粘合厚度非線性增加，并且會(huì)迅速超出所述堆和/或透鏡材料可接受的力預(yù)算。為了確保粘合線對(duì)所述堆沒有不利影響，本發(fā)明提供了一種將粘合線制造進(jìn)匹配層的方法。本方法消除了對(duì)于超薄層的需要，從而擺脫了上述顧慮。
[0047]本方法利用了施加在換能器周界的、并繼而被磨合以實(shí)現(xiàn)集成匹配層的預(yù)期最終高度的隔離物。然后通過(guò)將透鏡(以及附著至透鏡的任意匹配層)和隔離物所附著至的表面之間的粘合劑進(jìn)行熟化來(lái)制造匹配層。如果在粘合劑中使用顆粒例如用于調(diào)整聲阻抗，可使用納米顆粒摻雜質(zhì)以確保所形成的未熟化的膠能夠以不超出少量微米的誤差被向下壓到隔離物上(由于顆粒被限制在隔離物的頂部和透鏡的底部之間)。希望隔離物非常小以使限制的粉末最少化，但是又得大到足以被準(zhǔn)確磨合至一個(gè)高度，其直徑例如約
0.25-0.75mm。在預(yù)期頻率范圍內(nèi)，該方法所需的夾緊力非常小，因?yàn)檎澈暇€相對(duì)較厚，例如在5-25μπι之間。此處提供了本方法的條件和用途的實(shí)施例。
[0048]對(duì)換能器的綜述
[0049]還將圍繞可使用此處描述的方法而制造的超聲換能器來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明。換能器堆的部件，包括壓電層、匹配層、透鏡以及背襯層在本領(lǐng)域是公知的，并被描述在美國(guó)專利N0.7，230, 368、美國(guó)公開文本N0.2007/0222339、美國(guó)公開文本N0.2007/0205698以及美國(guó)公開文本N0.2007/0205697中。
[0050]一方面，超聲換能器包括一個(gè)堆，該堆具有第一面、相對(duì)的第二面以及延伸在二者之間的縱向軸線Ls。所述堆包括多個(gè)層，每層都具有頂面和相對(duì)的底面。一方面，所述堆的多個(gè)層包括壓電層和介質(zhì)層(其可如此處所述被沉積并被圖樣化)。一方面，所述介質(zhì)層連接至壓電層的至少一部分并位于其下面。
[0051]所述堆的多個(gè)層還可包括地電極層、信號(hào)電極層、背襯層，以及至少一個(gè)匹配層。附加的層的切面可包括但不限于暫時(shí)性保護(hù)層(未示出)、聲透鏡、光致抗蝕劑層(未示出)、導(dǎo)電環(huán)氧樹脂(未不出)、粘合劑層(未不出)、聚合物層(未不出)、金屬層(未不出)等。
[0052]所述壓電層可由各種材料制成。例如，形成壓電層的材料包括陶瓷、單晶體、聚合物和共聚物材料、具有0-3、2-2和/或3-1連接性(connectivity)的陶瓷-聚合物和陶瓷-陶瓷復(fù)合物等。在一個(gè)實(shí)施例中，壓電層包括鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷。
[0053]所述介質(zhì)層可限定所述壓電層的活性區(qū)域。所述介質(zhì)層可被應(yīng)用至所述壓電層的底面。一方面，所述介質(zhì)層不會(huì)覆蓋所述壓電層的整個(gè)底面。一方面，所述介質(zhì)層限定一個(gè)開口或間隙，其沿著與所述堆的縱向軸線基本平行的方向延伸第二預(yù)定長(zhǎng)度。所述介質(zhì)層中的開口優(yōu)選與壓電層的底面的中心區(qū)域?qū)?zhǔn)。所述開口限定陣列的高度尺寸。一方面，陣列的每個(gè)元件都具有相同的高度尺寸，且開口的寬度在如下的壓電層區(qū)域內(nèi)是恒定的，該區(qū)域被保留用于已形成切口槽的器件的活性區(qū)域。一方面，介質(zhì)層中的開口的長(zhǎng)度可沿著基本垂直于所述堆的縱向軸線的軸線方向以預(yù)定方式變化，最終形成陣列元件的高度尺寸的變化。
[0054]介質(zhì)層和壓電層的相對(duì)厚度以及介質(zhì)層和壓電層的相對(duì)介電常數(shù)限定了所施加的電壓在兩個(gè)層上被分割的程度。在一個(gè)實(shí)施例中，電壓可被分割為介質(zhì)層占90%、壓電層占10%?？梢栽O(shè)定，可改變?cè)诮橘|(zhì)層和壓電層上的電壓分割比率。在其下面沒有介質(zhì)層的壓電層部分中，施加電壓的整個(gè)大小都在壓電層上。這部分限定了陣列的活性區(qū)域。在這方面，介質(zhì)層允許了使用比活性區(qū)域更寬的壓電層，并且允許了在活性區(qū)域中制造切口槽，并允許切口槽以一種方式延伸超出該區(qū)域，使得即陣列元件和陣列子元件被限定在活性區(qū)域中，但是在頂面上保持共同的地。
[0055]在堆中限定了多個(gè)第一切口槽。每個(gè)第一切口槽在堆內(nèi)延伸預(yù)定深度，且沿基本平行于所述堆的縱向軸線的方向延伸第一預(yù)定長(zhǎng)度。所述第一切口槽的“預(yù)定深度”可遵照如下預(yù)定深度輪廓(prof ile)，該輪廓根據(jù)第一切口槽的相應(yīng)長(zhǎng)度上的位置而變。每個(gè)第一切口槽的第一預(yù)定長(zhǎng)度至少與介質(zhì)層所限定的開口的第二預(yù)定長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)，且比沿基本平行于所述堆的縱向軸線的縱向方向的位于所述堆的第一面和相對(duì)的第二面之間的縱距要短。一方面，多個(gè)第一切口槽限定了多個(gè)超聲陣列元件。
[0056]所述超聲換能器還可包括多個(gè)第二切口槽。在這方面，每個(gè)第二切口槽在堆內(nèi)延伸預(yù)定深度，且沿基本平行于所述堆的縱向軸線的方向延伸第三預(yù)定長(zhǎng)度。第二切口槽的“預(yù)定深度”可遵循如下預(yù)定深度輪廓，該輪廓根據(jù)第二切口槽的相應(yīng)長(zhǎng)度上的位置而變。每個(gè)第二切口槽的長(zhǎng)度至少與介質(zhì)層所限定的開口的第二預(yù)定長(zhǎng)度一樣長(zhǎng)，且比沿基本平行于所述堆的縱向軸線的長(zhǎng)度方向的位于所述堆的第一面和相對(duì)的第二面之間的縱距要短。一方面，每個(gè)第二切口槽相鄰于至少一個(gè)第一切口槽。一方面，多個(gè)第一切口槽限定了多個(gè)超聲陣列元件，多個(gè)第二切口槽限定了多個(gè)超聲陣列子元件。例如，對(duì)于一個(gè)如下的陣列:該陣列中，兩個(gè)相應(yīng)的第一切口槽之間有一個(gè)第二切口槽，每個(gè)陣列元件具有兩個(gè)陣列子元件。對(duì)于每個(gè)陣列元件具有兩個(gè)子方塊元件的64-元件陣列來(lái)說(shuō)，制造129個(gè)相應(yīng)的第一和第二切口槽以制造128個(gè)壓電子元件，其構(gòu)成陣列的64個(gè)元件。可以設(shè)定，對(duì)于較大陣列可增加該數(shù)字。對(duì)于沒有子方塊的陣列，對(duì)于具有64個(gè)和256個(gè)陣列元件的陣列結(jié)構(gòu)可分別使用65個(gè)和257個(gè)第一切口槽。一方面，第一和/或第二切口槽可被注滿空氣。在替代方面，第一和/或第二切口槽也可被注滿液體或固體，諸如，例如聚合物。
[0057]因?yàn)榈谝磺锌诓酆偷诙锌诓鄱疾谎由爝M(jìn)所述堆的相應(yīng)第一面和第二面中的任一個(gè)，即，所述切口槽具有中間長(zhǎng)度，所形成的陣列元件被位于所述堆的相應(yīng)第一面和第二面附近的所述堆的毗鄰部分支撐。
[0058]所述堆的壓電層可在如下頻率共振，即，相對(duì)于電流診斷成像頻率標(biāo)準(zhǔn)(currentclinical imaging frequency standards)被認(rèn)為是較高的頻率。一方面，壓電層在大約30MHz的這一中心頻率處發(fā)生共振。在其他方面,壓電層在處于大約10-200MHz之間、優(yōu)選處于大約20-150MHZ之間、以及更優(yōu)選處于大約25-lOOMHz之間的一中心頻率下共振。
[0059]多個(gè)超聲陣列子元件中的每一個(gè)都有大約0.2-1.0的寬高比，優(yōu)選大約0.3-0.8之間，更優(yōu)選大約0.3-0.7之間。一方面，對(duì)于壓電元件可以使用小于約0.6的寬高比。該寬高比以及由此產(chǎn)生的幾何形狀有助于將陣列元件的橫向共振模式與用于產(chǎn)生聲能的厚度共振模式分開。因此，所給出的寬高比被配置用于防止壓電條內(nèi)的任何橫向共振模式干擾首要的厚度模式共振。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，類似的橫截面設(shè)計(jì)可被考慮用于其他類型的陣列。每個(gè)陣列元件可包括至少一個(gè)子方塊切口，使得每個(gè)陣列元件將實(shí)際上包括兩條或更多的條，其中屬于每一個(gè)各元件的所有條的信號(hào)電極一起電短路。
[0060]壓電條的寬高比還會(huì)影響陣列元件的方向性(directivity),即，寬度越窄，方向性就越低，并且陣列的轉(zhuǎn)向角(steering angle)就越大。對(duì)于具有大于約0.5 λ的間距的許多陣列而言，針對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的小孔產(chǎn)生的柵瓣(grating lobes)的振幅將增加。PZT條的各種示例寬高比可包括但不限于:
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種形成超聲匹配層的方法，所述方法包括以下步驟: (a)提供一個(gè)聲陣列換能器堆，其包括一個(gè)壓電層并具有一個(gè)頂面和多個(gè)陣列元件，其中所述頂面包括多個(gè)未布置在所述多個(gè)陣列元件上的隔離物； (b)提供一個(gè)透鏡組件，其具有頂面和底面； (c)將所述透鏡組件的底面與多個(gè)隔離物相接觸； (d)將換能器堆的頂面與透鏡組件的底面之間的粘合劑熟化，以形成超聲匹配層， 其中所述粘合劑結(jié)合至透鏡組件的底面和換能器堆的頂面，由所述多個(gè)隔離物產(chǎn)生的在所述換能器堆的頂面和所述透鏡組件的底面之間的距離適合一個(gè)超聲匹配層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述透鏡組件包括一個(gè)透鏡和形成所述組件的底面的第二匹配層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述透鏡包括Rexolite或TPX。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第二匹配層包括氰基丙烯酸鹽粘合劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述第二匹配層直接附著至所述透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述換能器堆還包括在堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，并且其中所述多個(gè)第一切口槽限定所述多個(gè)陣列元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述換能器堆還包括布置在所述壓電層和步驟(d)的匹配層之間的第三和第四匹配層。
8.一種超聲換能器，包括具有頂面和底面的透鏡組件；具有頂面和底面的陣列換能器堆；以及一個(gè)匹配層，其附著至所述透鏡組件的底面和所述換能器堆的頂面，其中所述換能器堆包括一個(gè)壓電層和多個(gè)陣列元件，所述換能器堆的頂面包括多個(gè)未放置在所述多個(gè)陣列元件上的隔離物，并且所述透鏡組件的底面與所述多個(gè)隔離物相接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的換能器，其中所述換能器堆還包括在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度的多個(gè)第一切口槽，并且其中所述多個(gè)第一切口槽限定所述多個(gè)陣列元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的換能器，還包括在壓電堆內(nèi)限定的多個(gè)第二切口槽，每個(gè)第二切口槽在所述堆內(nèi)延伸預(yù)定深度，其中每個(gè)第二切口槽相鄰于至少一個(gè)第一切口槽，以及所述多個(gè)第二切口槽限定多個(gè)陣列子元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的換能器，其中所述透鏡組件包括一個(gè)透鏡和形成所述組件的底面的第二匹配層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的換能器，其中所述透鏡包括Rexolite或TPX。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的換能器，其中所述第二匹配層包括氰基丙烯酸鹽粘合劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的換能器，其中所述第二匹配層直接附著至所述透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求8的換能器，其中所述換能器堆還包括布置在所述壓電層和附著至所述透鏡組件的底面的匹配層之間的第三和第四匹配層。
16.根據(jù)權(quán)利要求8的換能器，其中所述陣列元件在至少20MHz的中心頻率下運(yùn)行。
17.根據(jù)權(quán)利要求9的換能器，還包括具有用于每個(gè)陣列元件的電極的連接器，以及包括位于所述堆的底面以及所述連接器的一部分上的基質(zhì)材料和顆粒材料的復(fù)合介質(zhì)材料，其中所述基質(zhì)材料相比于所述顆粒材料在較低能量密度下被激光燒蝕， 其中所述復(fù)合介質(zhì)材料 被放置在所述連接器以及所述堆的底面的一部分上面；其中所述復(fù)合介質(zhì)材料中的溝將每個(gè)陣列元件與所述連接器的電極中的一個(gè)電極相連接；并且其中在每個(gè)溝內(nèi)沉積的金 屬提供在每個(gè)活性元件和所述連接器的電極中的一個(gè)電極之間的電連接。
【文檔編號(hào)】H04R17/00GK103811366SQ201310373214
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2008年9月18日
【發(fā)明者】M·盧卡斯, C·查格雷斯, D·赫森, 龐國(guó)鋒 申請(qǐng)人:富士膠卷視聲公司